田立柱，王 福，裴艷東，李 勇，施佩歆，姜興鈺，李建芬，商志文，王 宏

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.中國地質(zhì)調(diào)查局海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點實驗室，天津 300170；3.華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，天津 300170）

1970年以來，為解決港口、臨港工業(yè)區(qū)、濱海開發(fā)區(qū)和部分農(nóng)漁業(yè)用地需求，津冀沿海圍海造陸面積669 km2[1]。遙感監(jiān)測顯示，天津濱海新區(qū)2000—2015年間圍海造陸超過250 km2，海岸線由153 km增加到326 km，向海推進超過20 km[2]。大規(guī)模圍填海，改變了局部潮流場，必然造成侵蝕淤積的變化。在全球海平面上升背景下，海底侵蝕和淤積將直接影響到海岸帶工程的中長期安全和海岸生態(tài)環(huán)境保護修復布局，因此查明圍海造陸造成的海底沖淤影響十分必要。

天津濱海新區(qū)位于渤海灣西岸，其岸線和近岸等深線展現(xiàn)出的“ε”狀地貌格局，已被證明是古黃河公元1048年在天津塘沽入海堆積大量泥沙所致[3-5]。公元1194年古黃河離開渤海灣，改道蘇北入海，并于公元1855年在山東東營入海[3，6-8]，期間渤海灣西部雖入海河流眾多[9]，但向海輸運的泥沙量十分有限，沉積供給主要源自灣外的泥沙復雜補給[10-15]，原有古黃河三角洲海岸遭受侵蝕改造，僅1870—1950年海水進侵造成約100 km2的土地損失，岸線變得平直[16-18]。天津濱海新區(qū)海底地形整體上西高東低，調(diào)查區(qū)海底水深范圍在10 m之內(nèi)，海底地勢平坦，但在圍海造陸區(qū)周邊存在較大地形起伏，較之以往已形成顯著的侵蝕和淤積現(xiàn)象。本文在遙感解譯的圍填海過程的基礎上，確定圍填海前后兩個主要時段，通過12條垂直和平行海岸的海底地形地貌監(jiān)測剖面數(shù)據(jù)，對該區(qū)圍海造陸的海底沖淤影響進行了綜合評價。

1 方法

1.1 遙感解譯方法

遙感解譯采用Landsat系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（MSS、TM、ETM+、LIO），多光譜數(shù)據(jù)幾何分辨率為30 m，全色數(shù)據(jù)幾何分辨率為15 m，遙感數(shù)據(jù)處理主要包括圖像的幾何校正、鑲嵌，配準等[2]，主要對岸線和人工圍填海工程海擋邊界進行解譯（圖1）。

圖1 濱海新區(qū)圍海造陸進程與海岸線變化Fig.1 Land reclamation process and shoreline migration in the coast of Binhai New Area

1.2 海底沖淤變化監(jiān)測方法

海底沖淤變化監(jiān)測采用Himax型單波束全數(shù)字測深儀，以及EdgeTech 3100P型淺地層剖面儀系統(tǒng)開展。共設置了12條監(jiān)測剖面，其中平行現(xiàn)代海岸線方向剖面4條，垂直現(xiàn)代海岸線方向剖面8條（圖2），對比分析圍海造陸前后海底水深及沖淤變化監(jiān)測。

圖2 近岸潮下帶12條監(jiān)測剖面位置示意圖Fig.2 Position of 12 monitoring profiles in nearshore subtidal zone

Himax型單波束全數(shù)字測深儀水深測量精度優(yōu)于2 cm；EdgeTech 3100P型淺地層剖面儀系統(tǒng)的淺地層結(jié)構(gòu)測量精度約20 cm；定位系統(tǒng)采用K9信標機，導航定位準確度優(yōu)于±5 m，進行實時動態(tài)測量。測量船在預定的測線方向上勻速直線航行，船速不大于5節(jié)。測量聲速設為1 524 m/s，地層平均聲度設定為1 600 m/s。潮位采用Win-situ型自容式潮位儀采集，測量精度2 cm。為降低水深數(shù)據(jù)測量誤差，調(diào)查和后期數(shù)據(jù)處理時采用以下措施：（1）測深探頭安裝深度讀取精確至1 cm；（2）船體起伏幅度要采用平滑處理；（3）水聲速測量采用標準實際溫度和鹽度計算取得；（4）潮位儀采集壓力數(shù)據(jù)經(jīng)大氣壓校正后計算潮位；（5）潮位校正采用中心漁港、天津港、天津南港地區(qū)多站插值計算方法綜合校正，潮位校正基準為理論深度基準面。為評價校正水深的綜合誤差，在地勢平坦地區(qū)，在2015年對相同地點不同潮時校正的水深值進行重復測量比對，結(jié)果顯示測量誤差4～8 cm（表1）。

表1 水深測量誤差比對Table 1 Comparison of water depth measurement errors

渤海灣潮下帶海底地勢極為平坦（垂岸坡降約0.3‰～0.6‰），兩次測線行船圍剖面測線偏移在100 m內(nèi)，平行海岸監(jiān)測剖面位置重疊度導致的比對誤差在3～6 cm，而垂岸剖面重疊度導致的比對誤差小于

1 cm。

2 結(jié)果和討論

2.1 遙感顯示的圍填海工程階段劃分

遙感圍填海過程解譯結(jié)果顯示，渤海灣西岸天津濱海新區(qū)圍填海工程劃分為4個階段。第一階段為2003年及以前的零星填海階段，主要灘涂的鹽田改造、城市建設和天津港港口小規(guī)模擴建造陸工程；第二階段為2004—2009年的溫和填海階段，主要圍繞天津港擴建配套的圍海造陸工程，即臨港工業(yè)區(qū)、東疆港等中小規(guī)模的圍海造陸工程；第三階段為2010—2013年的快速填海階段，圍填海工程沿著岸線全面鋪開，南港工業(yè)區(qū)、臨港經(jīng)濟區(qū)、臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)、天津港擴建、濱海旅游區(qū)、中心漁港、北疆電廠等圍海造陸工程全面開建，共計超過420 km2，實際上在2019—2010年現(xiàn)有造陸外圍邊界就已基本完成，2011—2013年將所圍區(qū)域逐漸充填成陸；第四階段為2014年及以后的基本無新增填海階段。

2.2 圍海造陸前后海底沖淤監(jiān)測剖面對比

以2006—2009年獲取的單波束和淺地層剖面調(diào)查數(shù)據(jù)，作為大規(guī)模圍海造陸實施前的地形地貌本底，并在2015年實施原位重復測量監(jiān)測。綜合考慮測量誤差和對比誤差，海底沖淤變化監(jiān)測門限為20 cm，該數(shù)值5～10倍于渤海灣厘米級的自然變化背景[19-20]。因此以單波束水深監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，并輔助以淺地層剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)作為定性印證，可對海底顯著沖淤進行識別（圖3，圖4）。

圖3 No.1～No.6剖面水深與淺剖沖淤監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Erosion and siltation monitoring results of water depth and SBP in No.1～No.6 profiles

圖4 No.7～No.Ⅳ剖面水深與淺剖沖淤監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Erosion and siltation monitoring results of water depth and SBP in No.7～No.Ⅳprofiles

2.2.1 No.1剖面

No.1剖面為垂直岸線方向剖面，位于現(xiàn)北疆電廠東南側(cè)潮下帶，南北方向、長度約4 km，水深向南變大。2006年水深為1.1～2.5 m，9年后的2015年該剖面整體上存在顯著的淤積作用，主體淤積量在0.3～0.9 m，水深變?yōu)?.3～2.5 m，最大淤積區(qū)位于北疆電場東側(cè)，原剖面中部的海底牡蠣礁也因大量淤積被埋藏消失，海底坡降增加約57%，由0.35‰變?yōu)?.55‰。

2.2.2 No.2剖面

No.2剖面為近似平行岸線方向剖面，位于現(xiàn)中心漁港東側(cè)潮下帶，東西方向、長度約4.8 km，水深向東變大。2006年水深為1.6～2.3 m，7年后的2015年該剖面西部侵蝕作用顯著，侵蝕范圍0.1～0.6 m，水深變?yōu)?.8～2.3 m，海底坡降顯著變緩，由0.2‰變?yōu)?.09‰，坡降近乎水平，東部整體上存在微弱的淤積作用。

2.2.3 No.3剖面

No.3剖面為垂直岸線方向剖面，位于航母主題公園東南潮下帶，NW-SE方向、長度約8 km，水深向東南變大。2007年水深0.4～4.3 m，8年后的2015年該剖面淤積顯著，淤積范圍0.1～0.6 m，水深變?yōu)?～3.6 m，淺部淤積厚度較大且較為均勻，海底坡降增加約14%，由0.47‰變?yōu)?.53‰。深部原較為平坦的海底形成約1m高差的明顯起伏，淤積厚度變化大。

2.2.4 No.4剖面

No.4剖面為垂直岸線方向剖面，位于北塘薊運河三岔河口外東南潮下帶，NW-SE方向、長度約12 km，整體上水深向東南變大，但由于近岸地區(qū)開挖航道，水深變化復雜。2007年水深0～4.7 m，8年后的2015年該剖面淤積明顯，淤積量0.1～0.4 m，水深變?yōu)?～4.2 m，深水區(qū)海底淤積厚度大。海底坡降一直保持穩(wěn)定在0.6‰左右。

2.2.5 No.5剖面

No.5剖面為垂直岸線方向剖面，位于東疆港沙灘東側(cè)潮下帶，NW-SE方向、長度約8 km，整體上水深向東南變大。2007年水深2.6～6.0 m，8年后的2015年該剖面西部和中部淤積顯著，淤積量0.1～0.7 m，水深變?yōu)?.9～6.0 m，海底坡降變陡約22%，由0.41‰變?yōu)?.53‰。

2.2.6 No.6剖面

No.6剖面為垂直岸線方向剖面，位于東疆港沙灘東南側(cè)潮下帶，NW-SE方向、長度約5 km，整體上水深向東南變大。2007年水深3.7～5.3 m，8年后的2015年該剖面西部和中部淤積顯著，淤積量0.3～1.3 m，水深變?yōu)?.3～5.3 m。海底坡降變陡約73%，由0.37‰變?yōu)?.59‰。

2.2.7 No.7剖面

No.7剖面為垂直岸線方向剖面，位于臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)外圍海擋東南側(cè)潮下帶，NW-SE方向、長度約4 km，整體上水深向東變大。2009年水深4.9～5.9 m，6年后的2015年該剖面遭受顯著的海底侵蝕，侵蝕量0.1～0.9 m，水深變?yōu)?.8～5.9 m，海底坡降顯著變緩，由0.28‰變?yōu)?.03‰，坡降近乎水平。

2.2.8 No.8剖面

No.8剖面為垂直岸線方向剖面，位于南港工業(yè)區(qū)南邊界潮下帶處臨近海擋，東西方向、長度約7 km，整體上水深向東變大。2009年水深1.8～4.1 m，6年后的2015年該剖面近岸區(qū)淺水區(qū)接受了顯著的淤積，淤積量0.2～0.9 m，東端深水區(qū)遭受顯著的海底侵蝕，侵蝕量可達0.4 m，剖面上水深變?yōu)?.0～4.5 m。海底坡降變陡約54%，由0.35‰變?yōu)?.54‰。

2.2.9 No.I剖面

No.I剖面為平行岸線方向剖面，位于濱海媽祖園至北疆電廠外圍潮下帶，NE方向、長度約19 km，整體上水深向SW緩慢增加。2009年水深0～3.0 m，6年后的2015年該剖面由西南至東北存在明顯的淤積和侵蝕區(qū)交替現(xiàn)象，淤積區(qū)為北疆電廠南側(cè)和濱海旅游區(qū)東側(cè)，淤積量0.2～0.8 m，侵蝕區(qū)為北疆電廠東側(cè)和中心漁港與北疆電廠之前的圍海造陸海擋豁口，侵蝕量0.2～0.4 m。

2.2.10 No.Ⅱ剖面

No.Ⅱ剖面為平行岸線方向剖面，位于東疆港東側(cè)潮下帶，NE方向、長度約7 km，深度向NE方向漸深。2006年水深3.3～4.8 m。8年后的2015年該剖面普遍接顯著淤積，淤積量0.4～0.7 m。

2.2.11 No.Ⅲ剖面

No.Ⅲ剖面為平行岸線方向剖面，位于臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)南部的東側(cè)潮下帶，向南延伸到南港航道外側(cè)，近SN走向，長度約13 km。2009年水深5.0～5.5 m，剖面上地勢弱北傾近乎水平，頭尾高差0.5 m。6年后的2015年該剖面由南至東形成明顯的淤積-侵蝕區(qū)域交替現(xiàn)象，水深3.8～6.0 m，水深變化達2.2 m，且海底坡降出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，地形南傾，侵蝕量可達2 m，而淤積量可達1.8 m。

2.2.12 No.Ⅳ剖面

No.Ⅳ剖面為平行岸線方向剖面，位于南港工業(yè)區(qū)東側(cè)，NE走向，長度約7 km。2009水深3.7～4.2 m，剖面上地勢弱北傾近乎水平，頭尾高差0.5 m。6年后2015年該剖面水深3.9～4.9 m，地形起伏達1 m，且海底坡降出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，地形南傾，南部普遍接受了顯著的侵蝕侵蝕量可達0～1.3 m，中部侵蝕量約0.2 m。

2.3 圍海造陸導致的海底沖淤變化

濱海新區(qū)沿岸大規(guī)模修建沿海工程，突兀的海擋人為改變了沉積可容空間格局，沉積物向岸方向補給加劇，區(qū)域水動力條件發(fā)生巨大改變，在海擋外側(cè)勢必會形成一個新的自然海岸帶，海底地形調(diào)整也必然是一個劇烈和長期的過程。對比分析2015年海底地形地貌實測水深與淺地層剖面數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)圍海造陸外圍海底沖淤與海底地形發(fā)生顯著調(diào)整，呈現(xiàn)出北部淤積南部侵蝕的整體格局（圖5）。

圖5 圍海造陸后近岸海底沖淤總量Fig.5 Total amount of Erosion and siltation on the nearshore seabed after land reclamation

2.3.1 海底沖淤空間分布

濱海新區(qū)北部海域整體以淤積為主，淤積成片分布，淤積中心位于天津港航道防波堤以北，最大可達1.3 m，主體淤積厚度0.4～0.6 m，在北塘薊運三岔河口處，淤積厚度0.2～0.4 m；侵蝕區(qū)位于北疆電廠東側(cè)和中心漁港與北疆電廠之前的圍海造陸海擋豁口處，最大侵蝕量0.4～0.6 m。

濱海新區(qū)南部整體以侵蝕為主，海底侵蝕作用在圍海造陸邊界東側(cè)潮下帶造成大面積深度達1.3～2.0 m的沉積物損失。淤積受限主要出現(xiàn)在臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)角處，以及南港工業(yè)區(qū)南堤南側(cè)，淤積厚度最大分別可達1.8 m和0.9 m，另外在臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)南側(cè)孤立海擋外延也形成了一個狹小的淤積區(qū)。

2.3.2 垂直岸線的海底坡降變化

2006年原國家海洋局天津908專項調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，海河口、薊運河口一帶的海底平均坡降在0.6‰～0.7‰之間，其它海域的近岸海底地形較緩，平均坡降在0.3‰～0.4‰之間[20]。

2007年和2009年沖淤監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，這些坡降特征一直在維持。但2015年所有顯示為淤積區(qū)的海底坡降均顯著增加，至0.53‰～0.60‰，已接近河口區(qū)強物源供給背景的自然坡降值；而在侵蝕區(qū)，原有海底坡降卻被改造至近乎水平。

2.3.3 平行岸線的海底坡降變化

北部圍海造陸外側(cè)海底沿岸方向上的坡降趨勢，圍海造陸前后保持一致。如北疆電廠至生態(tài)城一帶，水深漸深趨勢依舊保持，但北疆電廠至中心漁港一帶沖淤相間出現(xiàn)，導致地形產(chǎn)生明顯起伏，局部平行岸線方向上的坡降可達0.4‰。

圍海造陸后，南部圍海造陸外側(cè)海底沿岸方向上段的坡降趨勢，有發(fā)生逆轉(zhuǎn)的趨勢。原有微弱的南高北低的坡降（平均0.05‰）趨勢被打破，形成北高南低的反轉(zhuǎn)坡降（平均坡降0.2‰）。圍海造陸后一些局部地區(qū)，如臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)角處，因沖淤作用形成超高的不穩(wěn)定海底坡降（1.5‰）。

3 結(jié)論

（1）濱海新區(qū)圍海造陸可劃分為四個階段：2003年及以前，零星填海期；2004年進入溫和填海期；2010年進入巨量填海期，且當年造陸外圍邊界就已基本完成；2014年及以后基本無新增填?；顒印?/p>

（2）以2006—2009年數(shù)據(jù)作為背景，對比分析圍海造陸后2015年海底水深與淺地層剖面數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)圍海造陸外圍海底沖淤與海底地形發(fā)生顯著調(diào)整。北部海域整體以淤積為主，淤積中心位于天津港航道防波堤以北，最大可達1.3 m，北疆電廠東側(cè)和中心漁港海擋豁口處，形成小范圍的海底侵蝕，最大侵蝕量0.4～0.6 m；南部海域整體以侵蝕為主，海底侵蝕作用在圍海造陸邊界東側(cè)潮下帶造成大面積深度達1.3～2.0 m的沉積物損失；淤積作用僅出現(xiàn)在臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)及南港工業(yè)區(qū)的南側(cè)，淤積厚度最大分別可達1.8 m和0.9 m。

（3）淤積區(qū)的垂岸海底坡降顯著增加，至0.53‰～0.60‰，已接近河口區(qū)強物源供給背景的自然坡降值，而在侵蝕區(qū)，原有海底坡降卻被改造至近乎水平；北部海域，沿造陸輪廓方向的海底坡降趨勢，在圍海造陸前后保持一致，局部相間出現(xiàn)沖、淤作用導致地形明顯起伏，局部平行岸線方向上的坡降可達0.4‰；南部海域，沿造陸輪廓方向的海底坡降趨勢發(fā)生逆轉(zhuǎn)。臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)角處，因沖淤作用形成1.5‰的超高不穩(wěn)定海底坡降。